Вихри в придонной области стационарных замедляющихся потоков с плоским дном и их влияние на гидравлическое сопротивление потоков

• Автор: Леонтьев, Дмитрий Игоревич
• Шифр специальности: 04.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 112 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Г лава 1. Введение и обзор литературы
1.1 Гидравлическое сопротивление потоков
1.2 Исторический обзор
1.3 Определение сил трения
1.4 Потери напора при равномерном движении жидкости
1.5 Влияние шероховатости
1.6 Расчетные зависимости для открытых русел
1.7 Отрыв вихрей за шаром
1.8 Дисковая модель Жмура движения твердотельного вихря в потоке со сдвигом скорости
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика измерений
2.1 Описание установки
2.2 Измерительная аппаратура
а) Измерение скорости течения
б) Регистрация свободной поверхности потока
в) Видеосъемка
2.3 Методика измерений
2.4 Методы расчета спектров
-Глава 3. Результаты экспериментов
3.1 Исследование поля скорости неравномерных потоков
3.2 Отрыв вихрей
3.3 Траектории движения вихрей
3.4 Размер и форма вихрей
3.5 Применимость модели Жмура для изучаемых потоков
3.6 Экспериментальная проверка применимости модели
Жмура
3.7 Влияние шероховатости на процесс отрыва вихрей
3.8 Влияние характеристик потока на отрыв вихрей
3.9 Явление «решетки» - групповой характер отрыва вихрей
3.10 Расчет гидравлического сопротивления потока на основе результатов исследования процессов образования вихрей
Заключение
Список литературы

Глава 1.
ВВЕДЕНИЕ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Для решения многих практических задач гидродинамики и гидравлики необходимо рассчитывать и уметь прогнозировать такие величины, как сопротивление потока, массообмен, деформацию дна потока, а также множество подобных характеристик, описывающих движение жидкости в потоке.
Правильный прогноз и расчет гидравлического сопротивления потоков является важным условием экономии средств, при постройке и эксплуатации гидротехнических сооружений. В настоящий момент физическая картина процессов, обусловливающих сопротивление потоков неизвестна. В связи с этим, существует множество гипотез не имеющих экспериментального подтверждения. Примером одной из последних гипотез является предположение о влияние на сопротивление потоков вихрей с горизонтальной осью, направленной вдоль потока, существующих в узкой пристеночной области [37,42]. Сделано много попыток уменьшения сопротивления численными методами на основе управления взаимодействия между вихрями и стенкой, аналогично давно известным практическим способам: вдув-отсос в перпендикулярном потоку направлении, введение осцилляций движущейся стенки и другими методами [28,29,36,38,40]. Результаты этих работ не проверены на практике, а их эксплуатация нерентабельна.
Отсутствие четкой физической картины процессов, определяющих сопротивление потока, приводит к тому, что существующие методики расчета основаны на эмпирических соотношениях между прогнозируемой величиной и известными характеристиками потока. Использование этих соотношений, полученных при определенных условиях, приводит к ошибкам и большому экономическому ущербу при использовании в других условиях. В связи с этим

выяснение физических механизмов, в основном определяющих сопротивление потоков даже с узкой областью применения оказывается очень важным.
Целью данной работы является исследование физического механизма, определяющего сопротивление прямых открытых стационарных замедляющихся потоков воды с плоским дном.
Известно, что при некоторых условиях, определяемых градиентом скорости, в замедляющемся потоке происходит процесс образования вихрей в придонной области потока с горизонтальной осью, перпендикулярной направлению потока [2,6,13-15,17,33,42,43,45,46]. Можно предположить, что этот процесс оказывает существенное влияние на сопротивление потока. Экспериментальной проверке выдвинутой гипотезы посвящена данная работа.
В ходе экспериментов, проведенных в лабораторных условиях, удалось установить важные особенности движения жидкости в неравномерных замедляющихся потоках, которые позволили по-новому взглянуть на существующие проблемы расчета и описания характеристик неравномерных потоков. Были обнаружены новые явления, такие как регулярный отрыв вихрей из придонной области потока, групповой характер отрыва вихрей со дна потока с некоторым шагом вдоль оси движения жидкости - явления «решетки». Такой характер отрыва и движения вихрей демонстрирует высокую степень упорядоченности и регулярности, изучаемых вихревых структур. Было обнаружено, что процесс отрыва вихрей не происходит в равномерных и ускоряющихся потоках. Были получены эмпирические зависимости между различными характеристиками, описывающими процесс образования и отрыва вихрей из придонной области потоков, и параметрами потока.
В качестве одного из важнейших практических применений проведенного в данной работе исследования и полученных результатов, была построена модель расчета гидравлического сопротивления неравномерных замедляющихся потоков, основанная на механизме образования вихрей. Оказалось, что при определенных условиях, именно процесс образования

1.8. Дисковая модель Жмура движения твердотельного вихря в потоке со сдвигом скорости.
Можно предположить, что в замедляющемся потоке воды у плоского дна происходит отрыв вихрей, представляющих собой верхнюю часть цепочки Кармана. Бай Ши И [66] на основании большого количества экспериментальных исследований получил, что когда величина
'8' Г биЛ (Ш)
и) V дх ) V V ) (1.33)
где 8 - толщина пограничного слоя, V - максимальное значение скорости потока, X - координата в направлении вдоль по потоку и V - кинематическая
вязкость, достигает критического значения кг = —0.07 ) в замедляющемся потоке наблюдается регулярный отрыв вихрей. В [46] было показано, что вихри движутся подобно твердому телу. Траекторией движения вихрей является циклоида, которая описывается математической моделью, предложенной Жмуром [7].
В этой работе рассмотрено движение больших океанических вихрей в потоке со сдвигом скорости, ядра которых представляются диском (цилиндром) постоянного радиуса. В качестве упрощения можно считать, что вязкость и /3-эффект для них играет второстепенную роль. Действительно, оценка слагаемых в уравнении вихря на (3 -плоскости
Ау/< + /3у/х = /(,Д)
, ч дАдВ дА дВ
где V - функция тока, Д ~ 2 + 2 , 1А,В) - ду- ду ж-
определитель Якоби, ось X направлена на восток, ось у - на север, (3 =сош1, на примере вихря Парамонова показывает, что основную роль играют нелинейные слагаемые, А у/1 на порядок, а Ру/Х на два порядка меньше, чем